(Actualités Nanowerk) Pérovskites, une large classe de composés dotés d'un type particulier de structure cristalline, sont depuis longtemps considérés comme une alternative ou un complément prometteur aux panneaux solaires actuels en silicium ou en tellurure de cadmium. Ils pourraient être beaucoup plus légers et peu coûteux, et pourraient être appliqués sur pratiquement n'importe quel substrat, y compris le papier ou le plastique flexible, qui pourraient être enroulés pour faciliter le transport. Dans leur efficacité à convertir la lumière solaire en électricité, les pérovskites deviennent comparables au silicium, dont la fabrication nécessite encore des processus longs, complexes et énergivores. Un autre inconvénient majeur est la longévité : ils ont tendance à se briser en quelques mois, voire années, alors que les panneaux solaires en silicium peuvent durer plus de deux décennies. Et leur efficacité sur de grandes surfaces de modules est toujours à la traîne par rapport au silicium. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs du MIT et de plusieurs autres institutions a révélé des moyens d'optimiser l'efficacité et de mieux contrôler la dégradation, en concevant la structure à l'échelle nanométrique des dispositifs à pérovskite. L'étude révèle de nouvelles connaissances sur la manière de fabriquer des cellules solaires à pérovskite à haut rendement et fournit également de nouvelles orientations aux ingénieurs qui travaillent à commercialiser ces cellules solaires. Le travail est décrit dans la revue Nature Energy (« Recombinaison réduite via des champs de surface accordables dans des films minces de pérovskite »), dans un article de Dane deQuilettes, un récent postdoctorant au MIT qui est maintenant co-fondateur et directeur scientifique de la spin-out du MIT Optigon, avec les professeurs du MIT Vladimir Bulovic et Moungi Bawendi, et 10 autres personnes au MIT et dans l'État de Washington, le Royaume-Uni et Corée. Une équipe de chercheurs du MIT et de plusieurs autres institutions a révélé des moyens d'optimiser l'efficacité et de mieux contrôler la dégradation, en concevant la structure à l'échelle nanométrique des dispositifs à pérovskite. Les membres de l'équipe comprennent Madeleine Laitz, à gauche, et l'auteur principal Dane deQuilettes. (Photo : avec l'aimable autorisation des chercheurs) « Il y a dix ans, si vous nous aviez demandé quelle serait la solution ultime au développement rapide des technologies solaires, la réponse aurait été quelque chose qui fonctionne aussi bien que le silicium mais dont la fabrication est beaucoup plus simple. ", dit Bulovic. « Et avant même que nous nous en rendions compte, le domaine du photovoltaïque à base de pérovskite est apparu. Ils étaient aussi efficaces que le silicium et aussi faciles à peindre que sur un morceau de papier. Le résultat a été un formidable enthousiasme sur le terrain. Néanmoins, « il existe des défis techniques importants liés à la manipulation et à la gestion de ces matériaux d'une manière que nous n'avons jamais fait auparavant », dit-il. Mais la promesse est si grande que des centaines de chercheurs à travers le monde ont travaillé sur cette technologie. La nouvelle étude se penche sur un détail très petit mais essentiel : comment « passiver » la surface du matériau, en modifiant ses propriétés de telle manière que la pérovskite ne se dégrade plus aussi rapidement ou ne perde plus son efficacité. "La clé est d'identifier la chimie des interfaces, l'endroit où la pérovskite rencontre d'autres matériaux", explique Bulovic, faisant référence aux endroits où différents matériaux sont empilés à côté de la pérovskite afin de faciliter la circulation du courant à travers l'appareil. Les ingénieurs ont développé des méthodes de passivation, par exemple en utilisant une solution créant une fine couche de passivation. Mais il leur manquait une compréhension détaillée du fonctionnement de ce processus, ce qui est essentiel pour progresser davantage dans la recherche de meilleurs revêtements. La nouvelle étude « a abordé la capacité de passiver ces interfaces et d’élucider la physique et la science qui expliquent pourquoi cette passivation fonctionne aussi bien », explique Bulovic. L’équipe a utilisé certains des instruments les plus puissants disponibles dans les laboratoires du monde entier pour observer les interfaces entre la couche de pérovskite et d’autres matériaux, ainsi que leur évolution, avec des détails sans précédent. Cet examen attentif du processus de revêtement de passivation et de ses effets a abouti à « la feuille de route la plus claire à ce jour de ce que nous pouvons faire pour affiner l'alignement énergétique aux interfaces des pérovskites et des matériaux voisins », et ainsi améliorer leurs performances globales, Bulovic dit. Alors que la majeure partie d’un matériau pérovskite se présente sous la forme d’un réseau cristallin d’atomes parfaitement ordonné, cet ordre se décompose à la surface. Il peut y avoir des atomes supplémentaires qui dépassent ou des lacunes où des atomes manquent, et ces défauts entraînent des pertes d'efficacité du matériau. C’est là qu’intervient le besoin de passivation. "Cet article révèle essentiellement un guide sur la manière de régler les surfaces, où se trouvent un grand nombre de ces défauts, afin de garantir que l'énergie n'est pas perdue au niveau des surfaces", explique deQuilettes. «C'est une très grande découverte pour le domaine», dit-il. "Il s'agit du premier article qui démontre comment contrôler et concevoir systématiquement les champs de surface dans les pérovskites." La méthode de passivation courante consiste à baigner la surface dans une solution d'un sel appelé bromure d'hexylammonium, une technique développée au MIT il y a plusieurs années par Jason Jungwan Yoo PhD '20, co-auteur de cet article, qui a conduit à plusieurs nouveaux efficacités record du monde. En faisant cela, « vous formez une très fine couche sur votre surface défectueuse, et cette fine couche passive en fait très bien un grand nombre de défauts », explique deQuilettes. "Et puis le brome, qui fait partie du sel, pénètre de manière contrôlable dans la couche tridimensionnelle." Cette pénétration aide à empêcher les électrons de perdre de l’énergie à cause des défauts de surface. Ces deux effets, produits par une seule étape de traitement, produisent simultanément les deux changements bénéfiques. "C'est vraiment beau parce qu'il faut généralement le faire en deux étapes", explique deQuilettes. La passivation réduit la perte d'énergie des électrons à la surface après qu'ils ont été libérés par la lumière du soleil. Ces pertes réduisent l’efficacité globale de la conversion de la lumière solaire en électricité, donc la réduction des pertes augmente l’efficacité nette des cellules. Cela pourrait rapidement conduire à des améliorations de l'efficacité des matériaux dans la conversion de la lumière solaire en électricité, dit-il. Les récents records d'efficacité pour une seule couche de pérovskite, dont plusieurs ont été établis au MIT, vont d'environ 24 à 26 pour cent, tandis que l'efficacité théorique maximale pouvant être atteinte est d'environ 30 pour cent, selon deQuilettes. Une augmentation de quelques pour cent peut sembler minime, mais dans l’industrie solaire photovoltaïque, de telles améliorations sont très recherchées. « Dans l'industrie photovoltaïque au silicium, si l'on gagne un demi pour cent en efficacité, cela vaut des centaines de millions de dollars sur le marché mondial », dit-il. Un changement récent dans la conception des cellules en silicium, consistant essentiellement à ajouter une fine couche de passivation et à modifier le profil de dopage, permet un gain d'efficacité d'environ un demi pour cent. En conséquence, « l’ensemble du secteur est en train de changer et tente rapidement de faire pression pour y parvenir ». L’efficacité globale des cellules solaires au silicium n’a connu que de très légères améliorations progressives au cours des 30 dernières années, dit-il. Les efficacités records pour les pérovskites ont été principalement établies dans des laboratoires contrôlés avec de petits échantillons du matériau de la taille d’un timbre-poste. « Traduire une efficacité record à l’échelle commerciale prend beaucoup de temps », explique deQuilettes. "Un autre grand espoir est qu'avec cette compréhension, les gens seront en mesure de mieux aménager de vastes zones pour obtenir ces effets passivants." Il existe des centaines de types différents de sels passivants et de nombreux types différents de pérovskites. La compréhension de base du processus de passivation fournie par ces nouveaux travaux pourrait donc aider les chercheurs à trouver des combinaisons de matériaux encore meilleures, suggèrent les chercheurs. « Il existe de nombreuses façons différentes de concevoir les matériaux », dit-il. "Je pense que nous sommes sur le point de faire les premières démonstrations pratiques des pérovskites dans des applications commerciales", déclare Bulovic. « Et ces premières applications seront bien loin de ce que nous pourrons faire dans quelques années. » Il ajoute que les pérovskites « ne doivent pas être considérées comme un déplacement du photovoltaïque au silicium. Cela doit être considéré comme une augmentation – encore une autre façon de provoquer un déploiement plus rapide de l’électricité solaire. "De nombreux progrès ont été réalisés au cours des deux dernières années dans la recherche de traitements de surface améliorant les cellules solaires à base de pérovskite", explique Michael McGehee, professeur de génie chimique à l'Université du Colorado, qui n'a pas été associé à cette recherche. « De nombreuses recherches ont été empiriques, les mécanismes à l’origine des améliorations n’étant pas entièrement compris. Cette étude détaillée montre que les traitements peuvent non seulement passiver les défauts, mais également créer un champ de surface qui repousse les porteurs qui devraient être collectés de l’autre côté du dispositif.

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